CN110172638B - 一种高温渗碳齿轮钢及生产方法 - Google Patents

一种高温渗碳齿轮钢及生产方法 Download PDF

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Abstract

一种高温渗碳齿轮钢，其组分及wt%为：C：0.18‑0.22％，Si：0.20‑0.30％，Mn：0.75‑0.85％，P：≤0.010％，S：0.010‑0.025％，Cr：0.45‑0.55％，Ni：0.45‑0.65%，Mo：0.15‑0.25%，Al：0.008‑0.015%，V：0.04‑0.08％，Zr：0.03‑0.08％，N：0.0060‑0.0080%；生产方法：转炉冶炼；在钢包炉中采用白渣精炼；RH真空处理；浇注成方坯后轧制成圆钢；加工成齿轮并高温渗碳处理。本发明通过在传统齿轮钢的基础上添加V、N、Zr、Al、S等元素，使齿轮钢在950‑1100℃渗碳，并保温4.5~5.5h下，奥氏体晶粒度不低于6级，满足用户高温渗碳工艺的需求。

Description

一种高温渗碳齿轮钢及生产方法
技术领域
本发明涉及一种合金钢及生产方法，确切地属于一种齿轮钢及生产方法。
背景技术
随着汽车行业的发展，要求配备具有高抗弯曲强度和疲劳强度的齿轮，则齿轮钢必须具有很高的渗层淬透性才能满足这一要求。汽车用齿轮钢向低变形、高均匀、易切削、高温渗碳、高强度等方向发展，以满足齿轮的低噪音、高疲劳、大扭矩变速器的要求，品种多，用途广。
奥氏体晶粒尺寸是衡量齿轮钢质量的一项重要指标。细小均匀的奥氏体晶粒度对零件的强度、韧性均有特殊贡献。特别是对提高齿轮的断裂韧性，增强齿轮的脆断抗力具有重要意义。我国齿轮钢的晶粒度级别一般要求≥5级，而日本特别强调渗碳齿轮钢的晶粒度应≥6级。目前国内常用的齿轮渗碳温度一般不超过930℃,。国外已经开始采用高于930℃的高温渗碳工艺生产齿轮，国内一些汽车厂也在此方面进行了有意义的尝试。在提高渗碳温度后齿轮钢的奥氏体晶粒将出现混晶和晶粒粗大现象，从而影响齿轮的强度和精度，使齿轮因热处理变形无法使用而报废。
中国专利公开号为CN 103361559A的文献，公开了《一种Nb、Ti复合微合金化高温渗碳齿轮钢》，其通过采用Nb、Ti微合金化工艺，在奥氏体晶界生成析出相，阻碍齿轮钢在渗碳过程中晶粒长大，从而达到细化奥氏体晶粒的目的。但由于钢中添加了一定的Ti,易生成粗大的菱形TiN颗粒，影响齿轮钢的疲劳性能。
中国专利公开号为CN 104928588A的文献，其公开了《一种高温渗碳钢及其熔炼方法》。该文献通过添加大量Nb(0.085-0.23％)、Al(0.01-0.21％)、Ti(0.03-0.25％)在钢中形成TiN、AlN、NbN等析出相，阻碍奥氏体晶粒长大，但由于钢中存在大量Ti和Al，影响钢的疲劳性能和连铸可浇性。
中国专利公开号为CN 106967925A的文献，公开了《一种具有细晶粒窄淬透性带宽的高温渗碳齿轮钢》。其通过在齿轮钢中添加Al和N，使钢在高温渗碳时钢中AlN阻碍奥氏体晶粒长大，其缺陷是钢中添加Al，易产生大量脆性夹杂物，不利于提高齿轮钢的疲劳强度，同时，高Al含量使得钢水的浇注性能变差。
综上所述，目前在不影响齿轮钢疲劳性能和工艺性能的前提下提高高温渗碳奥氏体晶粒度还没有有效的方法。因此，针对目前齿轮钢高温渗碳晶粒长大的问题，有必要提供一种适应高温渗碳工艺的齿轮钢，满足齿轮制造用户的需求。
发明内容
本发明在于克服现有技术存在高温渗碳晶粒长大的不足，提供一种在不降低齿轮钢疲劳性能的前提下，通过添加V、Zr等微合金元素，使其在轧制冷却过程中在晶内或晶界析出细小析出相，阻碍奥氏体晶粒长大，达到高温渗碳保持奥氏体晶粒尺寸不长大的高温渗碳齿轮钢及生产方法。
实现上述目的的措施：
一种高温渗碳齿轮钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.18-0.22％，Si：0.20-0.30％，Mn：0.75-0.85％，P：≤0.010％，S：0.010-0.025％，Cr：0.45-0.55％，Ni：0.45-0.65％，Mo：0.15-0.25％，Al：0.008-0.015％，V：0.04-0.08％，Zr：0.03-0.08％，N：0.0060-0.0080％，其余为铁和不可避免的夹杂。
优选地：V的重量百分比含量在0.047～0.075％。
优选地：Zr的重量百分比含量在0.036～0.08％。
进一步优选地：Zr的重量百分比含量在0.05～0.075％。
生产一种高温渗碳齿轮钢的方法，其步骤：
1)高温渗碳齿轮钢采用转炉冶炼，转炉出钢至1/3时，按照常规量先加入锆铁，然后依次再按照常规量加入铝铁、铬铁、镍板、钼铁、硅锰合金；
2)在钢包炉中采用白渣精炼，其精炼渣碱度为2.6～3.2，精炼结束前5分钟开始喂入硫线，其喂入量以使钢水中的S含量在0.16～0.28％为原则；
3)进行RH真空处理，并控制脱气时间不低于18分钟；真空完成后添加氮化钒铁，然后软吹10～15分钟
4)浇注成方坯后轧制成圆钢：其间方坯开轧温度控制在970～1030℃，精轧终轧温度控制在830～870℃；
5)加工成齿轮并进行高温渗碳处理，渗碳温度在950-1100℃,渗碳时间4～5.5个小时。
其在于：所述精炼渣的组分及重量百分比含量为：CaO：50～55％，SiO2：15～21％，FeO+MnO:≤0.8％，Al2O3：20～25％，其余为MgO、CaF2、ZrO2。
本发明中添加适量的V、N，使其以VN、VC、V(C、N)等析出相的形式在钢中析出，其既能细化奥氏体晶粒，又能提高齿轮钢的强韧性能。钒的碳-氮化物在齿轮钢中的溶解度大。而其氮化物的溶解度比碳化物低约两个数量级，这与Nb正好相反，与Ti相似。由于V在奥氏体中有较大的溶解度，从而热轧前粗大的碳氮化钒化合物也比碳化钒更易溶解。碳氮化钒相对较高的溶解度加上氮化钒的溶解度远低于碳化钒，使得钒成为一种容易控制又具有强烈沉淀强化作用的元素。因此，在齿轮钢中加入钒和氮，它们的碳、氮化物弥散的小颗粒能对奥氏体晶界起钉扎作用，阻碍奥氏体晶界的迁移，即阻止了奥氏体晶粒长大。
V(C，N)析出能有效地促进铁素体晶粒细化，精细的析出相不仅能降低再结晶奥氏体颗粒长大速度，而且也能促进铁素体形核。一般认为再结晶控轧工艺比较适合钒微合金化钢，再结晶控轧的基本思想就是通过奥氏体反复再结晶，在道次间隙内以及在冷却至Ar3点的过程中，可以得到细小的奥氏体组织，在随着温度下降的相变过程中，促进变形诱导V(C，N)沉淀析出，V(C，N)在奥氏体晶内沉淀可为铁素体形核提供较多的形核位置，同时也可起到阻止或延迟奥氏体晶粒长大的作用，这非常有利于细化铁素体晶粒。由于V(C，N)具有较高的固溶温度(>1250℃)，且具有良好的稳定性，不易长大，因此，在950-1100℃渗碳时，析出相既不会固溶于奥氏体中，又不会长大，其在奥氏体中或晶界钉扎，阻碍奥氏体高温长大，因此，设计的V、N含量分别为0.04-0.08％、0.0060-0.0080％，优选地V的重量百分比含量在0.047～0.075％。
Zr是一种强脱氧元素，齿轮钢中添加适量的Zr，降低Al含量，既能降低齿轮钢的氧含量，又能降低齿轮钢中Al2O3类夹杂物，提高齿轮钢的疲劳性能；同时，由于氧化锆具有高温不溶特性，能弥散分布于奥氏体中，当高温渗碳时，这些弥散分布的锆的氧化物能在奥氏体中起钉扎作用，抑制奥氏体晶粒长大。因此，通过添加0.03-0.08％的锆，优选地Zr的重量百分比含量在0.036～0.08％，进一步优选地Zr的重量百分比含量在0.05～0.075％。其很好的解决了齿轮钢脱氧、脆性夹杂物对疲劳性能的影响，同时，钢中形成的高温稳定性高的锆的氧化物能抑制齿轮钢高温渗碳晶粒长大。
Al作为一种强脱氧元素，能有效降低齿轮钢中氧含量，同时，钢中Al与氮形成氮化铝随钢水的凝固而析出细小的氮化铝颗粒，在轧制加热和高温渗碳时，能有效阻碍奥氏体晶粒长大，细化奥氏体晶粒；但钢中大量的Al脱氧产物易形成Al2O3类脆性夹杂物，不利于齿轮钢的疲劳寿命。因此设计齿轮钢Al含量为0.008-0.015％。
向齿轮钢中添加S元素，使钢中形成MnS夹杂物，在切削加工时，使切削容易断开，改善工件光洁度；同时，齿轮钢轧制时的奥氏体转变过程中，铁素体除在原奥氏体晶界析出外，也以MnS为核心析出，由于增加了铁素体形成的核心而增加了铁素体的块数，从而细化了铁素体-珠光体组织，因此齿轮钢中的S含量为0.010-0.025％。
本发明与现有技术相比，其通过在传统齿轮钢的基础上添加V、N、Zr、Al、S等元素，使本发明的齿轮钢在950-1100℃渗碳，保温时间在4.5～5.5h情况下，奥氏体晶粒度不低于6级，特别是在950-1050℃渗碳，奥氏体晶粒度7-9级，1050-1100℃渗碳，奥氏体晶粒度6-8级，满足用户高温渗碳工艺的需求。
附图说明
图1为VC、VN在钢中的固溶度；
图2为高温液体中锆与氧的平衡关系。
具体实施方式
下面对本发明予以详细描述：
表1为本发明各实施例及对比例的化学成分取值列表(wt％)；
表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺下的奥氏体晶粒度(级)；
表3为本发明各实施例及对比例的夹杂物检测结果列表。
本发明各实施例均按照以下步骤进行生产：
1)高温渗碳齿轮钢采用转炉冶炼，转炉出钢至1/3时，按照常规量先加入锆铁，然后依次再按照常规量加入铝铁、铬铁、镍板、钼铁、硅锰合金；
2)在钢包炉中采用白渣精炼，其精炼渣碱度为2.6～3.2，精炼结束前5分钟开始喂入硫线，其喂入量以使钢水中的S含量在0.16～0.28％为原则；
3)进行RH真空处理，并控制脱气时间不低于18分钟；真空完成后添加氮化钒铁，然后软吹10～15分钟
4)浇注成方坯后轧制成圆钢：其间方坯开轧温度控制在970～1030℃，精轧终轧温度控制在830～870℃；
5)加工成齿轮并进行高温渗碳处理，渗碳温度在950-1100℃,渗碳时间4～5.5个小时。
表1为本发明各实施例及对比例的化学成分取值列表(wt％)
Figure BDA0002055754310000051
Figure BDA0002055754310000061
表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺下的奥氏体晶粒度(级)
序号 950℃×5h 1000℃×5h 1050℃×5h 1100℃×5h
1 8.0 7.5 7.0 6.0
2 9.0 8.5 8.0 7.5
3 8.5 8.0 8.0 7.5
4 8.0 7.5 7.0 7.0
5 9.0 8.5 8.0 7.0
6 8.5 8.0 7.5 6.5
7 8.0 8.0 7.5 6.0
8 8.5 8.5 8.0 7.5
对比钢1 7.0 6.0 4.0 4.0
对比钢2 8.0 7.5 5.0 5.0
表3为本发明各实施例及对比例的夹杂物检测结果(级)
序号 A(级) B(级) C(级) D(级) O×10<sup>-6</sup>
1 1.0 0.5 0 0.5 10
2 2.0 1.0 0 0.5 6
3 1.5 0.5 0 0.5 8
4 1.5 0.5 0 0.5 7
5 2.0 1.0 0 0.5 6
6 1.5 0.5 0 0.5 5
7 1.5 0.5 0 0.5 8
8 1.5 0.5 0 0.5 8
对比钢1 1.0 1.5 0 1.0 15
对比钢2 1.5 1.5 0 1.0 12
本具体实施方式仅为最佳例举，并非对本发明技术方案的限制性实施。

Claims (2)

1.一种高温渗碳齿轮钢的生产方法，其步骤：
1）高温渗碳齿轮钢采用转炉冶炼，转炉出钢至1/3时，按照常规量先加入锆铁，然后依次再按照常规量加入铝铁、铬铁、镍板、钼铁、硅锰合金；
2）在钢包炉中采用白渣精炼，其精炼渣碱度为2.6~3.2，精炼结束前5分钟开始喂入硫线，其喂入量以使钢水中的S含量在0.16~0.28%为原则；
3）进行RH真空处理，并控制脱气时间不低于18分钟；真空完成后添加氮化钒铁，然后软吹10~15分钟
4）浇注成方坯后轧制成圆钢：其间方坯开轧温度控制在970~1030℃，精轧终轧温度控制在830~870℃；
5）加工成齿轮并进行高温渗碳处理，渗碳温度在950℃或渗碳温度在1050-1100℃, 渗碳时间4~5.5个小时；
所述高温渗碳齿轮钢的组分及重量百分比含量为：C：0.18~0.22％，Si：0.20~0.30％，Mn：0.75~0.85％，P：≤0.010％，S：0.010~0.025％，Cr：0.45~0.49％，Ni：0.45~0.65%，Mo：0.15~0.25%，Al：0.008~0.009%，V：0.04~0.08％，Zr：0.03~0.08％，N：0.0062~0.0080%，其余为铁和不可避免的夹杂。
2.如权利要求1所述一种高温渗碳齿轮钢的生产方法，其特征在于：所述精炼渣的组分及重量百分比含量为：CaO：50~55%，SiO2：15~21%，FeO+MnO:≤0.8%，Al2O3：20~25%，其余为MgO、CaF2、ZrO2。
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